JP6318846B2

JP6318846B2 - 低炭素中性化抑制モルタル及びその製造方法

Info

Publication number: JP6318846B2
Application number: JP2014106680A
Authority: JP
Inventors: 剛朗石田; 大和　功一郎; 功一郎大和; 晃希綿屋
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: JP2015221735A

Description

本発明は、中性化を抑制するとともに圧縮強度に優れる、低炭素モルタル及びその製造方法に関する。

近年、地球温暖化抑制の観点から、建設材料分野においても低炭素化の要請が高まりつつある。基幹建設材料であるコンクリートは、水と、セメントと、混和材と、細骨材と、粗骨材等を練り混ぜて製造される。このうち、セメントは、その製造時に他の材料よりも多くの二酸化炭素を排出することから、低炭素化を図る際には、セメントの一部を混和材で置換する方法が一般的である。

一方、低炭素化を図り混和材の量を多くすると、セメント量が減少することから、セメント硬化体（コンクリートおよびモルタル）の強度は、一般的には低下する。そこで、例えば特許文献１では、ＣＯ_２排出量の低減と強度発現の両立を図ることのできるセメント組成物を得る方法が提案されている。結合材は、５〜３０重量部のセメントと、０〜２０重量部のシリカヒュームと、０〜５０重量部のフライアッシュと、４２〜７５重量部の高炉スラグとを使用しており、低炭素化を図るために、大幅にセメント量を低減している。セメント量減少に伴う強度低下を防ぐために、アルカリ成分、石膏、トリイソプロパノールアミン、石灰石微粉のうちの少なくとも１種以上の添加材を使用することが望ましいとされている。

特開２０１１−６３２１号公報

しかしながら、特許文献１のように、低炭素化を図り、セメントを混和材で多量置換する方法では、強度の低下とともに、中性化に対する抵抗性が著しく低下する。これは、一般的に混和材中に含まれるＣａ量がセメントに比べ少ないことから、混和材の使用により中性化に対抗する主要な水和物であるＣａ（ＯＨ）_２量が少なくなるためである。

そこで、本発明は、中性化を抑制するとともに圧縮強度に優れる、低炭素中性化抑制モルタルを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、特定の混和材を使用することにより、上記目的を達成することができることを知見した。

即ち、本発明は、結合材と、練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを含む低炭素中性化抑制モルタルであって、前記結合材は、ポルトランドセメント１０〜３０質量％と高炉スラグ微粉末７０〜９０質量％とからなり、前記結合材１００質量部に対して、前記練り混ぜ水３０〜６０質量部、ハイドロキシアパタイト０．５〜１５質量部、細骨材１５０〜４００質量部及び化学混和剤０．１〜２．０質量部を含む、低炭素中性化抑制モルタルに関する。低炭素化のために、高炉スラグ微粉末を多量に使用しても、ハイドロキシアパタイトを併用することで、中性化を抑制することが可能となる。

また、本発明は、前記ポルトランドセメントを５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３、前記高炉スラグ微粉末を３００〜５００ｋｇ／ｍ^３、前記練り混ぜ水を１７０〜２７０ｋｇ／ｍ^３、前記ハイドロキシアパタイトを２〜８０ｋｇ／ｍ^３、及び前記細骨材を１１００〜１７００ｋｇ／ｍ^３含む、低炭素中性化抑制モルタルに関する。

また、本発明は、前記細骨材中に硬質高炉スラグ細骨材を２５〜７５体積％含み、前記練り混ぜ水がｐＨ１１以上のカルシウム溶液である、低炭素中性化抑制モルタルに関する。硬質高炉スラグ細骨材と、練り混ぜ水としてカルシウム溶液を併用することにより、モルタル組織が緻密化し、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

また、本発明は、結合材と、練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを混合し、低炭素中性化抑制モルタルを調製する、低炭素中性化抑制モルタルの製造方法に関する。本発明の製造方法によれば、低炭素化のために、高炉スラグ微粉末を多量に使用しても、ハイドロキシアパタイトを併用することで、中性化を抑制することが可能な低炭素中性化抑制モルタルを製造できる。

本発明は、中性化を抑制するとともに圧縮強度に優れる、低炭素モルタル及びその製造方法を提供することが可能となる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明の低炭素中性化抑制モルタルは、結合材と、練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを含み、結合材はポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とからなる。

前記セメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント等が挙げられる。

本発明で使用する高炉スラグ微粉末は、ＣａＯ含有量が４０〜４５質量％、ＳｉＯ_２含有量が３０〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１０〜１８質量％、ＳＯ_３含有量が１．５〜２．０質量％、ブレーン比表面積が４０００〜４９００ｃｍ^２／ｇであることが好ましい。

ＣａＯ含有量が４１〜４３質量％、ＳｉＯ_２含有量が３１〜３３質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１２〜１６質量％、ＳＯ_３含有量が１．６〜１．９質量％、ブレーン比表面積が４４００〜４８００ｃｍ^２／ｇであると、より好ましい。これらの範囲であれば、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

本発明で使用するハイドロキシアパタイトは、ＣａＯ含有量が４５〜６０質量％、Ｐ_２Ｏ_５含有量が３０〜５０質量％、ブレーン比表面積が３０００〜３５０００ｃｍ^２／ｇ、平均粒子径が２〜２５μｍであることが好ましい。

ＣａＯ含有量が５０〜５８質量％、Ｐ_２Ｏ_５含有量が３５〜４５質量％及びブレーン比表面積が４０００〜３００００ｃｍ^２／ｇ、平均粒子径が３〜２０μｍであると、より好ましい。

ＣａＯ含有量が５２〜５６質量％、Ｐ_２Ｏ_５含有量が３７〜４２質量％及びブレーン比表面積が２００００〜３００００ｃｍ^２／ｇ、平均粒子径が４〜６μｍであると、更に好ましい。これらの範囲であれば、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

練り混ぜ水は、一般的な上水で良いが、カルシウムイオンが溶解したｐＨ１１以上のカルシウム溶液であると強度向上面からより好ましい。ｐＨは１２以上が更に好ましく、１２．４以上が特に好ましい。なお、製造上の制約等を考慮すると、ｐＨの上限は１３．５以下が実用的値である。
カルシウムイオンが溶解したｐＨ１１以上のカルシウム溶液の具体例としては、生コン工場で発生する上澄水及びスラッジ水、上水に水酸化カルシウムを溶解させた溶液等が挙げられる。この場合のカルシウムイオン濃度は飽和状態であることが好ましく、例えば、上水に水酸化カルシウムを溶解させた場合に、２０℃の溶解度０．０５ｇ以上、好ましくは０．１０ｇ以上、更に好ましくは飽和状態の０．１５ｇであると良い。

細骨材は、海砂、砕砂、陸砂、山砂、川砂等が挙げられるが、硬質高炉スラグ細骨材を使用すると、より高い中性化抑制効果が得られる。硬質高炉スラグ細骨材を使用する場合は、細骨材中に２５〜７５体積％含むのが好ましく、３５〜６５体積％含むのがより好ましく、４０〜６０体積％含むのが更に好ましい。これらの範囲であれば、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

化学混和剤は、ポリカルボン酸系、ナフタリン系、アミノスルホン酸系及びメラミン系の高性能ＡＥ減水剤、アルキルアリルスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸塩系、ポリカルボン酸系の高性能減水剤、AE剤や消泡剤といった空気量調整剤等が挙げられる。

本発明の低炭素中性化抑制モルタルの配合は以下の通りである。

結合材はポルトランドセメント１０〜３０質量％と高炉スラグ微粉末７０〜９０質量％とからなり、ポルトランドセメント１５〜２５質量％と高炉スラグ微粉末７５〜８５質量％とからなることがより好ましく、ポルトランドセメント１７〜２３質量％と高炉スラグ微粉末７７〜８３質量％とからなることがさらに好ましい。

また、結合材１００質量部に対して、練り混ぜ水３０〜６０質量部、ハイドロキシアパタイト０．５〜１５質量部、細骨材１５０〜４００質量部及び化学混和剤０．１〜２．０質量部を含み、結合材１００質量部に対して、練り混ぜ水４０〜５５質量部、ハイドロキシアパタイト２〜１１質量部、細骨材２００〜３５０質量部及び化学混和剤０．２〜１．８質量部を含むことがより好ましく、結合材１００質量部に対して、練り混ぜ水４２〜５０質量部、ハイドロキシアパタイト７〜１０質量部、細骨材２５０〜３２０質量部及び化学混和剤０．３〜１．７質量部を含むことがより好ましい。これらの範囲であれば、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

また、モルタル１ｍ^３中に、ポルトランドセメントを５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３、高炉スラグ微粉末を３００〜５００ｋｇ／ｍ^３、練り混ぜ水を１７０〜２７０ｋｇ／ｍ^３、
ハイドロキシアパタイトを２〜８０ｋｇ／ｍ^３、及び細骨材を１１００〜１７００ｋｇ／ｍ^３含むことが好ましく、ポルトランドセメントを７０〜１２０ｋｇ／ｍ^３、高炉スラグ微粉末を３５０〜４５０ｋｇ／ｍ^３、練り混ぜ水を２００〜２５０ｋｇ／ｍ^３、ハイドロキシアパタイトを１０〜７０ｋｇ／ｍ^３、及び細骨材を１２００〜１６００ｋｇ／ｍ^３含むことがより好ましく、ポルトランドセメントを８０〜１１０ｋｇ／ｍ^３、高炉スラグ微粉末を３７０〜４２０ｋｇ／ｍ^３、練り混ぜ水を１７０〜２７０ｋｇ／ｍ^３、ハイドロキシアパタイトを３０〜５０ｋｇ／ｍ^３、及び細骨材を１３００〜１５００ｋｇ／ｍ^３含むことが更に好ましい。

また、モルタル１ｍ^３中に、化学混和剤を２〜１０ｋｇ／ｍ^３含むのが好ましく、３〜８ｋｇ／ｍ^３含むのがより好ましい。
これらの範囲であれば、中性化を抑制するとともに高い圧縮強度を得ることができる。

本発明の低炭素中性化抑制モルタルの製造は、前記結合材と、練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを混合し、製造する。具体的には、結合材と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材をミキサーで混合した後、予め化学混和剤を溶かした練り混ぜ水を投入し、混合して製造する。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

[１．使用材料］
以下に示す材料を使用した。
（１）セメント
・普通ポルトランドセメント（密度３．１６ｇ／ｃｍ^３、宇部三菱セメント株式会社製）
（２）混和材
・高炉スラグ微粉末（密度２．９０ｇ／ｃｍ^３、ＣａＯ量４１．９質量％、ＳｉＯ_２量３１．６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３量１４．０質量％、ＳＯ_３量１．７質量％、ブレーン比表面積４７６０ｃｍ^２／ｇ、ＪＩＳＡ６２０６高炉スラグ微粉末４０００相当、宇部興産株式会社製）
なお、ブレーン比表面積は、ＪＩＳＡ６２０６「コンクリート用高炉スラグ微粉末」に準拠して測定した値である。
・ハイドロキシアパタイト（密度２．９２ｇ／ｃｍ^３、ＣａＯ量５２．９質量％、Ｐ_２Ｏ_５量３８．９質量％、ブレーン比表面積２５５００ｃｍ^２／ｇ、平均粒子径５．５μｍ、太平化学産業株式会社製）
なお、ブレーン比表面積は、ＪＩＳＡ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」に準拠して測定した値である。具体的には、ポロシティーは、０．５００から０．９００の範囲において、圧縮供試体がブレーン空気透過装置のセルに粉末度測定校正用試料と同程度の圧力で詰められる程度の量となるように試料の質量を計量して測定した。
（３）細骨材
・海砂（密度２．５７ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．９７、福岡県産）
・砕砂（密度２．６８ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．７１、硬質砂岩、福岡県産）
・硬質高炉スラグ細骨材（密度２．５０ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．５１、株式会社神戸製鋼所製）
（４）化学混和剤
・商品名：シーカメント１１００ＮＴ、高性能ＡＥ減水剤、日本シーカ株式会社製
・商品名：マイクロエア４０４、空気量調整剤、ＢＡＳＦジャパン株式会社製
（５）練混ぜ水
・上水道水
・飽和水酸化カルシウム溶液（水酸化カルシウム（密度２．２１ｇ／ｃｍ^３、試薬特級、和光純薬工業株式会社製）、２０℃における溶解度：０．１６ｇ）

［２．モルタルの配合］
前記材料を用いた、Ｎｏ.１〜６のモルタルの配合について、配合の概要を表１に、１ｍ^３あたりの単位量を表２に示す。

表中において、普通ポルトランドセメントはＮ、高炉スラグ微粉末はＢＦＳ、ハイドロキシアパタイトはＨＡＰ、水酸化カルシウムはＣＨ、単位水量はＷ、単位セメント量はＣと表記した。なお、表１及び表２のＷは化学混和剤を含めた値である。

配合Ｎｏ．１〜６において、普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末の質量比は２０：８０で一定であり、また、水／結合材（普通ポルトランドセメント＋高炉スラグ微粉末）の質量比は４５％で一定である。

細骨材のうち、海砂と砕砂の体積比は４：６とした。ハイドロキシアパタイトに関しては、結合材（ポルトランドセメント＋高炉スラグ微粉末）に対する所定の質量比（％）に値する量を、細骨材に対して置換した。また、硬質高炉スラグ細骨材に関しては、全細骨材量に対して所定の体積比（％）となるよう、密度を用いて各細骨材の質量を計算して置換した。

飽和水酸化カルシウム溶液は、２０℃の環境下にて、上水道水１００ｇあたり０．１６ｇの水酸化カルシウムを完全に溶解させて作製した。

［３．モルタルの調製及び試験方法］
（１）モルタルの練り混ぜ
表２に示した配合Ｎｏ．１〜６のモルタルの練り混ぜは、ＪＩＳＲ５２０１に準じて次の手順で行った。すなわち、ホバートミキサ内に、細骨材、セメント及び混和材を投入して３０秒間空練りした後、予め混和剤を溶かした練り混ぜ水を加えて低速で３０秒間練り混ぜ、掻き落としを行った後、高速で６０秒間練り混ぜた。
（２）モルタルの空気量
配合Ｎｏ．１〜６について、空気量を測定した。この結果を表３に示す。なお、空気量は８．０〜９．０％とした。
（３）モルタル供試体の養生
モルタル供試体の養生に関しては、４週間の水中養生後に、２０℃、Ｒ．Ｈ．６０％の恒温室で２週間の気中養生を行った。
（４）圧縮強度試験
ＪＩＳＡ１１０８に準じて行い、材齢２８日での圧縮強度を測定した。
（５）促進中性化試験
ＪＩＳＡ１１５３に準じて行い、中性化深さを測定した。

［４．試験結果］
圧縮強度及び中性化深さの測定結果を表３に示す。

［５．評価］
表３より、促進期間４及び１２週での中性化深さを比較すると、比較例に比べて実施例の中性化深さは小さい値となっており、実施例は中性化に対する抵抗性に優れる。特に実施例４のように、ハイドロキシアパタイトと硬質スラグ細骨材と飽和水酸化カルシウム溶液を併用した配合の場合に、モルタル組織が緻密化しているためか、中性化深さはより小さい値となっている。

表３より、材齢２８日での圧縮強度を比較すると、比較例に比べて実施例の圧縮強度は大きな値となっており、実施例は圧縮強度に優れる。中性化深さと同様に、特に実施例４のような配合の場合に、モルタル組織が緻密化しているためか、圧縮強度はより大きい値となっている。

Claims

結合材と、練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを含む低炭素中性化抑制モルタルであって、
前記結合材は、ポルトランドセメント１０〜３０質量％と高炉スラグ微粉末７０〜９０質量％とからなり、
前記結合材１００質量部に対して、前記練り混ぜ水３０〜６０質量部、ハイドロキシアパタイト０．５〜１５質量部、細骨材１５０〜４００質量部及び化学混和剤０．１〜２．０質量部含み、
前記練り混ぜ水がｐＨ１１以上のカルシウム溶液である、低炭素中性化抑制モルタル。
前記低炭素中性化抑制モルタル１ｍ^３中に、前記ポルトランドセメントを５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３、前記高炉スラグ微粉末を３００〜５００ｋｇ／ｍ^３、前記練り混ぜ水を１７０〜２７０ｋｇ／ｍ^３、前記ハイドロキシアパタイトを２〜８０ｋｇ／ｍ^３及び前記細骨材を１１００〜１７００ｋｇ／ｍ^３含む、請求項１記載の低炭素中性化抑制モルタル。
前記細骨材中に硬質高炉スラグ細骨材を２５〜７５体積％含む、請求項１又は２記載の低炭素中性化抑制モルタル。
前記カルシウム溶液は、前記練り混ぜ水１００ｇ中に水酸化カルシウムが０．０５ｇ以上溶解している水酸化カルシウム溶液である、請求項１〜３の何れか１項記載の低炭素中性化抑制モルタル。
前記水酸化カルシウム溶液が飽和水酸化カルシウム溶液である、請求項４記載の低炭素中性化抑制モルタル。
前記ハイドロキシアパタイトのブレーン比表面積が３０００〜３５０００ｃｍ^２／ｇ、密度が２．９０〜３．３０ｇ／ｃｍ^３、ＣａＯ含有量が４５〜６０質量％、Ｐ_２Ｏ_５含有量が３０〜５０質量％及び平均粒子径が２〜２５μｍである、請求項１〜５の何れか１項記載の低炭素中性化抑制モルタル。
前記硬質高炉スラグ細骨材の密度が２．４〜３．０ｇ／ｃｍ^３、吸水率が１．５％以下及び粗粒率が２．０〜２．６である、請求項３〜６の何れか１項記載の低炭素中性化抑制モルタル。
結合材と、ｐＨ１１以上のカルシウム溶液からなる練り混ぜ水と、ハイドロキシアパタイトと、細骨材と、化学混和剤とを混合し、請求項１〜７の何れか１項記載の低炭素中性化抑制モルタルを調製することを特徴とする、低炭素中性化抑制モルタルの製造方法。